CN102646575A

CN102646575A - 一种二氧化硅图形加工的方法

Info

Publication number: CN102646575A
Application number: CN2012101131932A
Authority: CN
Inventors: 李佩朔; 赵华波; 魏子钧; 任黎明; 傅云义; 黄如; 张兴
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2012-04-17
Filing date: 2012-04-17
Publication date: 2012-08-22

Abstract

本发明提供了一种二氧化硅表面图形加工的方法，属于集成电路表面加工技术领域。该方法包括：在二氧化硅衬底上形成图形化的石墨烯层，并在石墨烯层上再沉积一层二氧化硅薄膜，随后用氢氟酸溶液刻蚀掉二氧化硅薄膜，即可在二氧化硅衬底上形成形状与石墨烯相同的刻蚀图案。本发明利用石墨烯增强刻蚀特性，在室温下在二氧化硅表面形成图形，其形状取决于石墨烯的形状；图形的位置可通过预先调整石墨烯的位置来控制，图形的边缘展宽和深度可通过控制刻蚀时间和石墨烯的层数来控制。本发明技术与现有硅基工艺兼容，可实现大规模、低成本的二氧化硅表面图形的加工。

Description

一种二氧化硅图形加工的方法

技术领域

本发明涉及二氧化硅新型表面加工技术，具体是一种在室温下利用图形化石墨烯形成二氧化硅图形的方法。

背景技术

由于二氧化硅具有良好的绝缘性质、化学稳定性和与硅的良好兼容性，在硅半导体工业中用途广泛。现行二氧化硅的图形加工通过使用PMA、SU-8等有机高聚物作为光刻胶，经光刻、刻蚀等传统集成电路工艺实现，但为保证图形转移后完全除去光刻胶，需使用发烟硝酸等较危险化学物质，增加工艺复杂性和成本。因此关于寻找新型氧化硅表面加工技术的工作近年来一直在进行。

1995年，J Allgair等人发现无定形碳可以增强氢氟酸蒸气对二氧化硅的腐蚀(J Allgair，J M Ryan，H J Song，M N Kozicki，T K Whidden and D K Ferry，Nanotechnology 7351-355(1996))，为二氧化硅加工技术的探索提供了新思路，但这一方法在形成无定形碳的过程中需要使用STM，且反应不在室温下进行，增加了大规模推广的难度。

2007年，Y H Cho等人结合LOCOS和RIE工艺，在不经过高精度光刻的条件下实现了二氧化硅微结构的加工(Y H Cho，SW Lee，B J Kim and T Fujii，Nanotechnology 18，465303(2007))，但这一方法不能精确控制微结构的尺寸。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用石墨烯增强刻蚀特性、在室温下形成二氧化硅图形的方法。

本发明的上述目的是通过如下的技术方案予以实现的：

一种二氧化硅图形加工的方法，包括如下步骤：

1)在SiO₂衬底上直接生长石墨烯或将石墨烯从其它衬底上转移至SiO₂衬底表面；

2)按所需形状，将石墨烯薄膜图形化；

3)在上述石墨烯层上沉积一层二氧化硅薄膜；

4)用腐蚀溶液刻蚀掉上述二氧化硅薄膜后，石墨烯的图形转移到二氧化硅衬底上。

所述二氧化硅衬底为表面有热氧化层的单晶硅片、石英、玻璃或沉积有二氧化硅薄层的 PET塑料、PDMS等柔软基底。

所述石墨烯可为单层、双层或多层。

在绝缘衬底上直接形成石墨烯的方法可为机械解理或从CVD制备石墨烯所用衬底上转移。

在石墨烯上沉积二氧化硅薄膜可用磁控溅射法和等离子增强化学气相沉积(PECVD)；厚度以完全盖住石墨烯为最小值，一般为20nm-00nm。

刻蚀二氧化硅的腐蚀溶液为氢氟酸溶液或碱性溶液，例如TMAH((CH₃)₄N⁺OH^-)，其中氢氟酸溶液的水和氢氟酸的体积比在10∶1-3∶1范围，刻蚀时间取决于覆盖在石墨烯上二氧化硅薄膜厚度。

本发明的技术优点和效果：

本发明利用石墨烯增强刻蚀特性、在室温下对二氧化硅表面进行图形加工。其原理为：在石墨烯上沉积二氧化硅薄膜，石墨烯表面的缺陷会增加，随后用腐蚀溶液刻蚀二氧化硅薄膜，石墨烯表面的缺陷会增加腐蚀溶液中包裹在石墨烯周围的双电层中离子的局域浓度。以氢氟酸溶液为例，氢氟酸刻蚀氧化硅的反应方程式为：

3HF₂ ^-+SiO₂+3H₃O⁺→H₂SiF₆+5H₂O.。可以看出上述H₃O⁺离子的局域浓度增加会加快氢氟酸刻蚀衬底二氧化硅的速率，从而导致了在石墨烯原来存在位置的二氧化硅图形的形成。

本发明工艺简单、效率高。且二氧化硅图形形状取决于石墨烯的形状，刻蚀时不受表面形貌变化的影响，图形的位置可通过预先调整石墨烯的位置来控制，图形的边界展宽和深度可通过控制刻蚀时间和石墨烯的层数等控制。

本发明技术与现有硅基工艺兼容，可实现大规模、低成本的二氧化硅表面图形加工。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步详细地说明：

图1为图形化石墨烯材料层；

图2为使用上述方法形成的二氧化硅图形的原子力显微镜示意图。

具体实施方式

下面参照本发明的附图，更详细的描述出本发明的最佳实施例。

实施例一

选用覆盖有400nm的热氧化硅的单晶硅片作为衬底。

通过机械解理的方法直接在热氧化硅上形成石墨烯，石墨烯层数形状随意。如图1所示。

随后，利用磁控溅射方法在石墨烯上方沉积一30nm厚的二氧化硅薄膜。(溅射时间：2hours；Ar气体流量：2.5mTorr；O₂气体流量：2mTorr；样品台温度：300K；射频功率：100W；)

用氢氟酸和水的体积比为1:10氢氟酸溶液刻蚀石墨烯上方沉积的二氧化硅薄膜，经30秒钟后，石墨烯上方沉积的二氧化硅薄膜全部刻蚀掉，将石墨烯图形转移到热氧化硅表面。如图2所示，用原子力显微镜测量表面形貌，图形形状取决于石墨烯的形状，且图形的深度在一定范围内随着石墨烯层数的增加而加深。

实施例二

选用覆盖有400nm的热氧化硅的单晶硅片作为衬底。

通过CVD方法在金属Ni或Cu表面生长石墨烯，随后使用PDMS将石墨烯转移到二氧化硅衬底上，利用化学气相沉积方法(PECVD)在石墨烯上沉积一30nm厚的二氧化硅薄膜。

随即用氢氟酸和水的体积比为1∶3氢氟酸溶液刻蚀石墨烯上方沉积的二氧化硅薄膜，经30秒钟后，石墨烯上方沉积的二氧化硅薄膜全部刻蚀掉，最终在二氧化硅衬底表面可获得与原先石墨烯形状一致的图案。

本发明中，上述二个实施例提供了一种优化了的二氧化硅表面图形加工方案，本发明不仅局限于此实施例，可以根据实际需要和设计要求做出相应的修改，例如：

实施例中提供的衬底除了有热氧化硅的单晶硅片以外，还可以是石英、玻璃或沉积有二氧化硅薄层的PET塑料、PDMS等柔软基底。

另外，石墨烯除单层石墨烯外，还可以是双层或多层石墨烯。

此外，腐蚀溶液除氢氟酸溶液外，还可以是碱性溶液，例如TMAH((CH₃)₄N⁺OH^-)。

上述实施例只是本发明的举例，尽管为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。

Claims

1.一种二氧化硅图形加工的方法，包括如下步骤：

2)按所需形状，将石墨烯薄膜图形化；

3)在上述石墨烯层上沉积一层二氧化硅薄膜；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二氧化硅衬底为表面有热氧化层的单晶硅片、石英、玻璃或沉积有二氧化硅薄层的PET塑料、PDMS等柔软基底。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述石墨烯为单层、双层或多层。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成图形化石墨烯层的方法为机械解理或从CVD制备石墨烯所用衬底上转移。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在石墨烯上沉积二氧化硅薄膜用磁控溅射法和等离子增强化学气相沉积。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，二氧化硅薄膜的厚度范围为20nm-100nm。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，刻蚀二氧化硅薄膜的腐蚀溶液为氢氟酸溶液，氢氟酸溶液的水和氢氟酸的体积比在10∶1-3∶1范围。